Embedded-Boards Stromversorgung integriert

Immer öfter entscheiden sich Entwickler von Embedded Systemen, ihre Platinen mit Stromversorgungskomponenten zu bestücken. Dies hat viele Vorteile, allerdings können bei einer selbstentwickelten Lösung Probleme auftreten, die unter Umständen erst in einer späten Phase des Systemdesigns zutage treten. Fertige, auf der Leiterplatte montierbare Module stellen eine Alternative zu diskreten Wandlern dar.

Mikrocontroller, Mikroprozessoren, FPGAs und andere Bausteine, die in der Vergangenheit überwiegend mit Spannungen von +5 V oder +12 V versorgt wurden, arbeiten heutzutage mehr und mehr mit Versorgungsspannungen von 3,3 V oder auch weniger. Dementsprechend höher wird die Stromaufnahme, die den Spannungsabfall entlang der Versorgungsleitung somit ansteigen lässt.

Die typische Stromversorgungsarchitektur beispielsweise eines industriellen Steuerungssystems hätte auf einem Netzteil mit mehreren Ausgängen basiert, dessen verschiedene Ausgangsspannungen über geeignete Kabel an die jeweiligen Verbraucher geleitet worden wären. Grundsätzlich ließe sich dieses Schema auch bei niedrigeren Versorgungsspannungen beibehalten, man würde damit aber riskieren, dass der Spannungsabfall am Verbraucher zu hoch wäre.

Aus diesem Grund müssen Entwickler hier auf ein anderes Stromversorgungskonzept umsteigen. Mit großer Wahrscheinlichkeit wird dabei ein Netzteil gewählt, das lediglich eine einzige Ausgangsspannung von beispielsweise 12 V, 24 V oder 48 V erzeugt. Diese wird dann mehreren dezentralen Wandlerstufen auf den einzelnen Leiterplatten zugeführt.

Bewährt hat sich diese Struktur insbesondere bei den aus Einschüben (Blades) aufgebauten Servern moderner Telekommunikationssysteme und Hochleistungsrechner. Hierbei spielt auch das Thema Wärme eine Rolle. Beschränkt man sich auf eine einzige Wandlerstufe, wird das Netzteil zu einem »Hot-Spot«. Das bedeutet, dass hier auf engem Raum sehr viel Verlustwärme entsteht.

Im Gegensatz dazu gibt die Bestückung der einzelnen Leiterplatten mit jeweils eigenen Wandlerstufen den Entwicklern die Möglichkeit, die benötigte Leistung jeweils direkt vor Ort zu erzeugen. Die Verlustwärme wird in diesem Fall gleichmäßiger auf das gesamte System verteilt und die Kühlung gestaltet sich einfacher. Den Designern stehen jetzt viele Optionen offen.

Stromversorgungsmodule übernehmen die nötige Umwandlung und enthalten die gesamte thermische Absicherung, Sicherheitsfunktionen und EMI-Vorkehrungen, sodass beim Design viel wertvolle Zeit gespart wird und die Iterationen diskreter Lösungen wegfallen. Nichtisolierte Point-of-Load-Lösungen (PoL) bieten ebenfalls große Vorteile, was die Minimierung der verlustbehafteten langen Stromversorgungsleitungen angeht, denn die Wandlerstufe wird unmittelbar neben dem Verbraucher platziert.

Angesichts der Einführung und allgemeinen Verbreitung digital gesteuerter Stromversorgungen ist es die Aufgabe der Entwickler, die optimale Lösung für die jeweiligen Anforderungen an die Performance, die Kosten und die Markteinführungszeit zu finden.

Anforderungen exakt spezifizieren

Die Anforderungen an die Stromversorgung müssen stets so exakt wie möglich spezifiziert werden. Neben der Ein- und Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom sind die Toleranzbereiche, die Umgebungstemperatur sowie die erwartete Dynamik wie zum Beispiel Lastwechsel und Änderungen der Eingangsspannung anzugeben.
Die Leistungsaufnahme von Mikrocontrollern und FPGAs wird auch von der implementierten Software bestimmt.

Wenn am Beginn eines Projekts der Leistungsbedarf spezifiziert werden muss, ist die zugehörige Software jedoch oft noch nicht einsatzbereit, sodass den Hardwaredesignern nichts anderes übrig bleibt, als die benötigte Leistung zu schätzen. Dabei sind Abweichungen von 50 Prozent oder mehr vom realen, mit der finalen Hard- und Software entstehenden Leistungsbedarf durchaus nicht ungewöhnlich.

Als nächstes ist über die Stromversorgungsarchitektur zu entscheiden. Sollen sämtliche Ausgangsspannungen direkt aus der Eingangsspannung erzeugt werden oder ergibt eine mehrstufige Umwandlung mit einer zwischengeschalteten Busspannung insgesamt die besseren Eigenschaften? Dabei müssen Entwickler die oftmals konträren Forderungen nach hohem Wirkungsgrad, geringstmöglicher Leiterplattenfläche und einwandfreien thermischen Eigenschaften bei minimalen Kosten berücksichtigen. Für die optimale Erfüllung all dieser Forderungen gibt es kein Patentrezept, denn es hängt vom Anwendungsfall ab, welche Architektur die beste ist.

Ist die Entscheidung für eine bestimmte Stromversorgungsarchitektur gefallen, stehen die Entwickler vor der Wahl zwischen einer selbst gebauten und einer zugekauften Lösung. Es geht also um die Entscheidung zwischen einer diskreten Implementierung und einem fertig qualifizierten und geprüften Standardmodul (Bild 1). Ein Leistungswandler muss unter allen Betriebsbedingungen mit hohem Wirkungsgrad arbeiten und eine konstante Ausgangsspannung zur Verfügung stellen - bei niedriger ebenso wie bei hoher Ausgangsleistung, bei +20 °C ebenso wie bei sehr hohen Temperaturen und selbstverständlich bei gleichbleibender Last ebenso wie dann, wenn sich die Ausgangsleistung oder die Eingangsspannung sprunghaft ändern.

Bei all dem darf die Stabilität der Ausgangsspannung nicht beeinträchtigt werden, und außerdem muss der Wandler mit minimalen Verlusten sowie thermisch stabil arbeiten. Er darf keine Störungen verursachen und muss auch unter anormalen Bedingungen sicher sein, wenn beispielsweise ein Kurzschluss an einem Bauteil des Wandlers selbst oder des Systems auftritt. Unternehmen, die Stromversorgungen professionell herstellen, berücksichtigen alle diese Aspekte. Doch auch die Profidesigner brauchen Wochen oder gar Monate, um aus dem anfänglichen Konzept ein finales Produkt zu machen, das komplett geprüft, freigegeben, dokumentiert und für die Massenproduktion bereit ist.

Überlegungen bei diskreten Designs

Bei Gleichspannungswandlern mit galvanischer Isolation besteht die Auswahl unter mehreren Topologien. Ein schlichter Sperrwandler erzeugt den geringsten Bauteileaufwand, und die daraus resultierenden minimalen Materialkosten dürften der Einkaufsabteilung zweifellos gefallen. Nachteilig ist hier dagegen die stärkere Welligkeit der Ausgangsspannung.

In Frage kommen außerdem Durchflusswandler mit einem oder zwei Schaltern, die Brückentopologie und viele mehr. Die Optionsvielfalt kann geradezu erdrückend sein. Hart schaltende Lösungen sind allgemein bekannt und werden seit Jahrzehnten eingesetzt. Es gibt auf dem Markt eine Unmenge Steuerungs-ICs, die das Design einfacher und besser vorhersagbar machen. Im Gegensatz dazu ist das sanfte Schalten (Soft Switching) komplexer.

Es erfordert mehr Bauelemente und setzt häufig spezielle Steuerungsmethoden voraus, andererseits erreicht man dadurch höhere Wirkungsgrade und die Störabstrahlung ist niedriger (Bild 2). Eine konstante Schaltfrequenz wiederum vereinfacht das Ausfiltern elektromagnetischer Störungen. Zu wählen ist außerdem zwischen nichtlückendem Betrieb (Continuous Conduction Mode, CCM) und lückendem Betrieb (Discontinuous Conduction Mode, DCM) sowie zwischen digitaler und analoger Regelung.

Auch die Wahl des Übertragers - sofern erforderlich - kann die Designer vor eine Reihe von Herausforderungen stellen. Kritisch kann die Platzierung der Bauelemente sein. Allgemeine Grundregeln besagen beispielsweise, Schleifen so klein wie möglich zu machen. Allerdings lassen sie sich wegen anderer Restriktionen in der Praxis häufig nur schwierig umsetzen. Ein mangelhaftes Layout wiederum kann dazu führen, dass selbst die beste Topologie ein verrauschtes und instabiles Netzteil ergibt, dessen Wirkungsgrad weit hinter den Erwartungen zurückbleibt.

Kostspielige Hürde Sicherheitszulassungen

Auch Schaltnetzteile sind immer noch analoge Schaltungen, in denen parasitäre Effekte wie etwa die Streuinduktivitäten von Leiterbahnen oder Anschlüssen große Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit haben können. Dies ist unbedingt zu beachten, auch wenn die Leiterplatte des Kunden ansonsten rein digitaler Natur ist. Sobald Hardware zu Testzwecken zur Verfügung steht, ist das Design zu verifizieren. Dabei geht es nicht ohne spezielles Equipment, das nicht unbedingt in jedem Prüflabor verfügbar ist.

Um zu gewährleisten, dass die Stromversorgung niemals die Ursache sicherheitsrelevanter Vorfälle ist, überprüfen Sicherheitsingenieure beispielsweise von UL, TÜV, VDE die Leiterplatte darauf, dass die nötigen Sicherheitsabstände (z.B. Luft- und Kriechstromstrecken zwischen Bauteilen und/oder Leiterbahnen) eingehalten werden, sowie bezüglich aller sicherheitskritischen Komponenten.

Ein UL-Sicherheitsinspektor prüft auf anormale Betriebszustände der diskreten Stromversorgung als Bestandteil der finalen Kundenplatine, die nicht selten 1000 US-Dollar oder mehr kostet. Erforderlich ist das Simulieren von Fehlern, die viele Bauelemente auf der Leiterplatte zerstören können. Die Hersteller von Standard-Stromversorgungsmodulen nehmen für die Sicherheitszulassung nicht selten Kosten von rund 10 000 US-Dollar auf sich, um ihren Kunden diese kritische Aufgabe abzunehmen.

Der Einsatz kommerziell angebotener Stromversorgungsmodule als fertige Bausteine ist ein deutlich unkomplizierterer Weg, eine Stromversorgungsarchitektur in eine reale, für den Kunden akzeptable Lösung umzusetzen. Dabei entfällt eine ganze Reihe grundlegender Designschritte, die bei einer diskreten Lösung erforderlich wären. Murata Power Solutions bietet eine ganze Familie von Wandlern mit oder ohne elektrische Isolation an. Nahezu alle Leistungsbereiche werden in einer Vielzahl von Gehäusen (z.B. SIP4, DIP24, 1 Zoll x 1 Zoll, 1/32-Brick, 1/4-Brick, usw.) abgedeckt.

Thermische Eigenschaften

Die thermischen Eigenschaften lassen sich anhand der Thermal-Derating-Kennlinien im Datenblatt überprüfen. Damit lässt sich sicherstellen, dass das gewählte Modul in dem zu erwartenden Umgebungstemperaturbereich die erforderliche Leistung liefern kann. Ist dies nicht der Fall, kann entweder ein Modul mit der nächsthöheren Leistung gewählt werden, oder man lotet Möglichkeiten zur Verbesserung der Kühlwirkung aus.

Murata Power Solutions zum Beispiel bietet einige Module höherer Leistung optional als Heatplate-Versionen an, um Kühlkörper daran einfach befestigen zu können. Um einen problemlosen Betrieb zu gewährleisten, müssen der Eingang und der Ausgang häufig mit einer gewissen Kapazität versehen werden, die in Form externer Kondensatoren hinzugefügt werden muss.

Die Datenblätter von Murata enthalten die hierfür erforderlichen Angaben, mit denen sich das zu erwartende Welligkeits- und Rauschniveau am Eingang und am Ausgang abschätzen lässt. Die EMI-Filterung und die Ausstattung des Eingangs mit einer Schmelzsicherung sind weitere Elemente, die es extern hinzuzufügen gilt und die es ermöglichen, eine Lösung für die gesamte Leiterplatte zu verwenden.

Über den Autor:

Hans-Peter Lüdeke ist Field Application Engineer bei Murata Europe.